ΜΑΘΗΜΑ 9 ο

1. ΜΑΘΗΜΑ 9ο Δυαδικά Δένδρα Αναζήτησης, Δένδρα AVL Υλικό από τις σημειώσεις Ν. Παπασπύρου, 2006

2. Δέντρα δυαδικής αναζήτησης • Δενδρικές δομές δεδομένων στις οποίες • Όλα τα στοιχεία στο αριστερό υποδέντρο της ρίζας είναι μικρότερα από την ρίζα • Όλα τα στοιχεία στο δεξί υποδέντρο της ρίζας είναι μεγαλύτερα ή ίσα με την ρίζα • Το αριστερό και το δεξί υποδέντρο είναι δέντρα δυαδικής αναζήτησης • Binary Search Trees - BSTs

3. >= Δέντρα δυαδικής αναζήτησης • Η γενική εικόνα ενός τέτοιου δέντρου

4. Παραδείγματα δέντρων BST • Εγκυρα δέντρα

5. Παραδείγματα δέντρων BST • Μη-έγκυρα δέντρα

6. 10 5 34 17 58 71 Δυαδικά δένδρα αναζήτησης (υλοποίηση με συνδεδεμένες λίστες) (i) • Binary search trees • Δυαδικά δένδρα με τιςπαρακάτω ιδιότητεςγια κάθε κόμβο: • όλοι οι κόμβοι τουαριστερού παιδιού έχουντιμές μικρότερες ή ίσεςτης τιμής του κόμβου • όλοι οι κόμβοι τουδεξιού παιδιού έχουντιμές μεγαλύτερες ή ίσεςτης τιμής του κόμβου

7. Δυαδικά δένδρα αναζήτησης (ii) • Τα δυαδικά δένδρα αναζήτησηςδιευκολύνουν την αναζήτηση στοιχείων • Αναδρομική αναζήτηση • αν η τιμή που ζητείται είναι στη ρίζα, βρέθηκε • αν είναι μικρότερη από την τιμή της ρίζας,αρκεί να αναζητηθεί στο αριστερό παιδί • αν είναι μεγαλύτερη από την τιμή της ρίζας,αρκεί να αναζητηθεί στο δεξί παιδί • Κόστος αναζήτησης: O(log n) • υπό την προϋπόθεση το δένδρο να είναι ισοζυγισμένο

8. Δυαδικά δένδρα αναζήτησης (iii) • Αναζήτηση TreeNode * treeSearch (tree t, int key) { if (t == NULL) return NULL; /* not found */ if (t->data == key) return t; /* found */ if (t->data > key) return treeSearch(t->left, key); else return treeSearch(t->right, key); }

9. Ζύγισμα δέντρων BST • Ανάλογα με τη σειρά άφιξης των στοιχείων και τον τρόπο δημιουργίας του δέντρου BST, για τα ίδια στοιχεία δεν προκύπτει πάντα το ίδιο δέντρο • Το ύψος του δέντρου σχετίζεται με το χρόνο αναζήτησης ενός στοιχείου μέσα στο δέντρο

10. Ζύγισμα δέντρων BST • Αναζήτηση με πολυπλοκότητα • Από Ο(Ν)[χειρότερη περίπτωση] • Μέχρι Ο(Log2N) [καλύτερη περίπτωση]

11. Ζύγισμα δέντρων BST • Προκειμένου μια αναζήτηση να διατρέχει όσο το δυνατόν μικρότερο μέρος του δέντρου, αυτό πρέπει να είναι «ζυγισμένο» • «Ζυγισμένο»: το βάθος του αριστερού υποδέντρου δεν διαφέρει περισσότερο από 1 από αυτό του δεξιού (ιδανικά: είναι ίσα) • Αν κατά την προσθήκη νέων στοιχείων στο δέντρο η ζυγαριά «γείρει» δεξιά ή αριστερά, απαιτείται διόρθωση του δέντρου

12. 1 2 4 4 3 2 6 5 3 4 1 3 5 7 6 2 5 1 7 6 7 Παραδείγματα ζυγισμένων δέντρων

13. Ζυγισμένα δέντρα • Η περίπτωση όπου το ύψος του αριστερού υποδέντρου είναι ακριβώς ίσο με το ύψος του δεξιού, δεν επιτυγχάνεται εύκολα • Αν από την παραπάνω περίπτωση υπήρχαν «μικρές» αποκλίσεις, οι επιδόσεις του δέντρου στην αναζήτηση δεν θα επηρεάζονταν ιδιαίτερα

14. Δέντρα AVL • Ενα δέντρο AVL (Adelson-Velskii and Landis) είναι ένα δέντρο BST του οποίου το ύψος του αριστερού υποδέντρου διαφέρει από αυτό του δεξιού το πολύ κατά 1 • Το δεξί και αριστερό υποδέντρο ενός δέντρου AVL είναι επίσης δέντρα AVL • Το κενό δέντρο είναι δέντρο AVL Οι ιδιότητες αυτές διατηρούνται με παρεμβάσεις (αναδιάταξη) καθώς νέα στοιχεία προστίθενται στο δέντρο

15. Δέντρα AVL

16. Δέντρα AVL • Ενα δέντρο AVL λέγεται «ψηλό από αριστερά» όταν το ύψος του αριστερού υποδέντρου είναι μεγαλύτερο από αυτό του δεξιού (κατά πόσο;;;) • Αντίστοιχα για το «ψηλό από δεξιά» • Υπάρχουν αρκετοί τρόποι με τους οποίους η προσθήκη ή η διαγραφή στοιχείων σε ένα δέντρο AVL παραβιάζει τη συνθήκη χαρακτηρισμού του

17. Αναδιάταξη δέντρων AVL • Η χαρακτηριστική ιδιότητα ενός δέντρου AVL μπορεί να παύει να ισχύει με την προσθήκη νέων στοιχείων • Η επαναφορά της ιδιότητας σε ισχύ, γίνεται με περιστροφή του δέντρου, ανάλογα με την περίπτωση αναδιάταξης που συντρέχει

18. Αναδιάταξη δέντρων AVL • Περιπτώσεις αναδιάταξης • ΑΑ: ένα αριστερό υποδέντρο ενός δέντρου AVL που είναι ψηλό από αριστερά, γίνεται επίσης ψηλό από αριστερά (left of left) • ΔΔ: τα αντίστοιχα για το δεξί υποδέντρο (right of right) • ΔΑ: ένα υποδέντρο ενός δέντρου AVL ψηλού από αριστερά, γίνεται ψηλό από δεξιά (right of left) • ΑΔ: ένα υποδέντρο ενός δέντρου AVL ψηλού από δεξιά, γίνεται ψηλό από αριστερά (left of right)

19. Περιπτώσεις αναδιάταξης (α)

20. Περιπτώσεις αναδιάταξης (β)

21. Αναδιάταξη σε περίπτωση ΑΑ

22. Αναδιάταξη σε περίπτωση ΔΔ

23. Αναδιάταξη σε περίπτωση ΔΑ

24. Αναδιάταξη σε περίπτωση ΑΔ

25. Υλοποίηση δέντρων AVL στη C • Μια δομή δεδομένων Node key <keyType> data <dataType> left <pointer to Node> right <pointer to Node> bal <LeftH, EvenH, RightH> End Node

26. Εισαγωγή σε δέντρα AVL • H εισαγωγή νέων στοιχείων γίνεται στα φύλλα, όπως στα δέντρα BST • Εντοπίζεται το φύλλο στο οποίο θα γίνει η εισαγωγή και δημιουργείται νέος κόμβος • Γίνεται οπισθοδρόμηση μέχρι την κορυφή του δέντρου, με έλεγχο της ισχύος της συνθήκης ισορροπίας AVL σε κάθε βήμαπρος τα πίσω, και επαναφορά σε ισορροπία, όπου απαιτείται

27. Εισαγωγή σε δέντρα AVL • Διάγραμμα κλήσης μιας αναδρομικής συνάρτησης εισαγωγής

28. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣAVLInsert( ref root <tree pointer>, val newPtr <tree pointer>, ref taller <Boolean>) 1 if (root null) 1 root = newPtr 2 taller = true 3 return root 2 end if 3 if (newPtr->key < root->key) 1 root->left = AVLInsert (root->left, newPtr, taller) 2 if (taller) // Left subtree is taller 1 if (root left-high) 1 root = leftBalance (root, taller) 2 elseif (root even-high) 1 root->bal = left-high 3 else //Was right high -- now even high 1 root->bal = even-high 2 taller = false 4 end if 4 else // New data >= root data

29. (Συνέχεια)AVLInsert( ref root <tree pointer>, val newPtr <tree pointer>, ref taller <Boolean>) ... 4 else // New data >= root data 1 root-> right = AVLInsert (root->right , newPtr, taller) 2 if (taller) // Right subtree is taller 1 if (root left-high) 1 root->bal = even-high 2 taller = false 2 elseif (root even-high) // Was balanced -- now right high 1 root->bal = right-high 3 else 1 root = rightBalance (root, taller) 4 end if 3 end if 5 end if 6 return root end AVLInsert

30. ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΣ leftBalance (ref root <tree pointer>, ref taller <Boolean>) 1 leftTree = root-> left 2 if (leftTree left-high) // Case 1: Left of left. Single rotation right. 1 rotateRight (root) 2 root->bal = even-high 3 leftTree->bal = even-high 4 taller = false 3 else // Case 2: Right of left. Double rotation required. 1 rightTree = leftTree->right // adjust balance factors 2 if (rightTree->bal left-high) 1 root->bal = right-high 2 leftTree->bal = even-high 3 elseif (rightTree->bal = even-high) 1 leftTree->bal = even-high 4 else

31. (Συνέχεια)leftBalance (ref root <tree pointer>, ref taller <Boolean>) 4 else // rightTree->bal is right-high 1 root->bal = even-high 2 leftTree->bal = left-high 5 end if 6 rightTree->bal = even-high 7 root->left = rotateLeft (leftTree) 8 root = rotateRight (root) 9 taller = false 4 end if 5 return root end leftBalance

32. Περισσότερα για δέντρα AVL • Διαγραφή στοιχείου • Διαβάστε αντίστοιχο download από τη σελίδα του μαθήματος • Βιβλιοθήκη συναρτήσεων • Μπορείτε να κατεβάσετε ένα σύνολο έτοιμων συναρτήσεων C για το χειρισμό δέντρων AVL από τη σελίδα web του μαθήματος